Welche Effekte könnten die Glykolyse hemmen?

Glykolyse ist ein universeller Stoffwechselprozess unter den Lebewesen der Welt. Diese Reihe von 10 Reaktionen im Zytoplasma aller Zellen wandelt das Zuckermolekül aus sechs Kohlenstoffatomen um Glucose in zwei Moleküle Pyruvat, zwei Moleküle ATP und zwei Moleküle NADH.
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Im Prokaryoten, die die einfachsten Organismen sind, ist die Glykolyse wirklich das einzige Zellstoffwechselspiel in der Stadt. Diese Organismen, die fast alle aus einer einzigen Zelle mit relativ wenig Inhalt bestehen, haben begrenzte Stoffwechselbedarf, und die Glykolyse reicht aus, um ihnen zu gedeihen und sich ohne Konkurrenz zu vermehren Faktoren. Eukaryoten, auf der anderen Seite, rollen Sie die Glykolyse als eine notwendige Vorspeise aus, bevor das Hauptgericht der aeroben Atmung ins Spiel kommt.

Diskussionen über die Glykolyse konzentrieren sich oft auf die Bedingungen, die sie begünstigen, z. B. eine ausreichende Substrat- und Enzymkonzentration. Weniger häufig erwähnt, aber auch wichtig, sind Dinge, die möglicherweise konstruktionsbedingt sind

Glukose ist ein Zucker mit sechs Kohlenstoffatomen und der Formel C₆H₁₂Ö₆. (Spaßiges Biomolekül-Trivia: Jedes Kohlenhydrat – ob Zucker, Stärke oder unlösliche Ballaststoffe – hat die allgemeine chemische Formel C_NeinH_2NÖ_Nein.) Es hat eine Molmasse von 180 g, ähnlich den schwereren Aminosäuren in seiner Größe. Es ist in der Lage, durch die Plasmamembran frei in und aus der Zelle zu diffundieren.

Glukose ist ein Monosaccharid, was bedeutet, dass sie nicht durch Kombination kleinerer Zucker hergestellt wird. Fructose ist ein Monosaccharid, während Saccharose ("Haushaltszucker") ein Disaccharid ist, das aus einem Glucosemolekül und einem Fructosemolekül zusammengesetzt ist.

Glukose hat insbesondere die Form eines Rings, der in den meisten Diagrammen als Sechseck dargestellt wird. Fünf der sechs Ringatome sind Glucose, während das sechste Sauerstoff ist. Der Kohlenstoff Nummer 6 liegt in einem Methyl (– CH₃) Gruppe außerhalb des Rings.

Die vollständige Formel für die Summe der 10 Reaktionen der Glykolyse lautet:

C₆H₁₂Ö₆ + 2 NAD⁺ + 2 Pi + 2 ADP → 2 CH₃(C=O)COOH + 2 ATP + 2 NADH + 2 H⁺

In Worten bedeutet dies, dass ein Glukosemolekül in zwei Glukosemoleküle umgewandelt wird, wodurch 2 ATP. gebildet werden und 2 NADH (die reduzierte Form von Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid, ein üblicher "Elektronenträger" in Biochemie).

Beachten Sie, dass kein Sauerstoff erforderlich ist. Obwohl Pyruvat fast ausnahmslos in aeroben Atmungsschritten konsumiert wird, findet die Glykolyse in aeroben und anaeroben Organismen gleichermaßen statt.

Die Glykolyse gliedert sich klassischerweise in zwei Teile: eine "Investitionsphase", die 2 ATP (Adenosintriphosphat, die "Energie Währung" der Zellen), um das Glukosemolekül in etwas mit viel potentieller Energie zu formen, und eine "Auszahlung" oder "Ernte" Phase, in der 4 ATP durch die Umwandlung eines Drei-Kohlenstoff-Moleküls (Glyceraldehyd-3-phosphat oder GAP) in ein anderes erzeugt werden, Pyruvat. Das bedeutet, dass pro Molekül Glucose insgesamt 4 -2 = 2 ATP erzeugt werden.

Wenn Glukose in eine Zelle eindringt, wird sie unter der Wirkung des Enzyms phosphoryliert (d. h. eine Phosphatgruppe ist daran gebunden). Hexokinase. Dieses Enzym oder Proteinkatalysator gehört zu den wichtigsten regulatorischen Enzymen der Glykolyse. Jede der 10 Reaktionen bei der Glykolyse wird von einem Enzym katalysiert, und dieses Enzym wiederum katalysiert nur diese eine Reaktion.

Das aus diesem Phosphorylierungsschritt resultierende Glucose-6-Phosphat (G6P) wird dann in Fructose-6-Phosphat (F6P) umgewandelt, bevor eine zweite Phosphorylierung stattfindet, diesmal in Richtung Phosphofructokinase, ein weiteres kritisches regulatorisches Enzym. Dies führt zur Bildung von Fructose-1,6-bisphosphat (FBP) und die erste Phase der Glykolyse ist abgeschlossen.

Fructose-1,6-bisphosphat wird in ein Paar von Drei-Kohlenstoff-Molekülen gespalten, Dihydroxyacetonphosphat (DHAP) und Glycerinaldehyd-3-phosphat (GAP). Das DHAP wird schnell in GAP umgewandelt, so dass der Nettoeffekt der Aufspaltung die Bildung von zwei identischen Drei-Kohlenstoff-Molekülen aus einem einzelnen Sechs-Kohlenstoff-Molekül ist.

Das GAP wird dann durch das Enzym Glyceraldehyd-3-Phosphat-Dehydrogenase in 1,3-Diphosphoglycerat umgewandelt. Dies ist ein arbeitsreicher Schritt; NAD⁺ wird in NADH und H. umgewandelt⁺ unter Verwendung von Wasserstoffatomen, die von GAP entfernt wurden, und dann wird das Molekül phosphoryliert.

In den verbleibenden Schritten, die 1,3-Diphosphoglycerat in Pyruvat umwandeln, werden beide Phosphate nacheinander aus dem Drei-Kohlenstoff-Molekül entfernt, um ATP zu erzeugen. Da alles nach der Aufspaltung von FBP zweimal pro Glukosemolekül passiert, bedeutet dies, dass 2 NADH, 2 H⁺ und 4 ATP werden in der Rückkehrphase erzeugt, für ein Netz von 2 NADH, 2 H⁺ und 2 ATP.
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Drei der Enzyme, die an der Glykolyse beteiligt sind, spielen eine wichtige Rolle bei der Regulierung des Prozesses. Zwei, Hexokinase und Phosphofructokinase (oder PFK), wurden bereits erwähnt. Der dritte, Pyruvatkinase, ist verantwortlich für die Katalyse der abschließenden Glykolysereaktion, der Umwandlung von Phosphoenolpyruvat (PEP) in Pyruvat.

Jedes dieser Enzyme hat Aktivatoren ebenso gut wie Hemmstoffe. Wenn Sie mit Chemie und dem Konzept der Feedback-Hemmung vertraut sind, können Sie möglicherweise die Bedingungen vorhersagen, die dazu führen, dass ein bestimmtes Enzym seine Aktivität beschleunigt oder verlangsamt. Wenn beispielsweise eine Region einer Zelle reich an G6P ist, würden Sie dann erwarten, dass Hexokinase aggressiv nach vorbeiwandernden Glukosemolekülen sucht? Wahrscheinlich nicht, denn unter diesen Bedingungen besteht keine dringende Notwendigkeit, zusätzliches G6P zu generieren. Und du hättest recht.

Während Hexokinase durch G6P gehemmt wird, wird sie durch AMP (Adenosinmonophosphat) und ADP (Adenosindiphosphat) aktiviert, ebenso wie PFK und Pyruvatkinase. Dies liegt daran, dass höhere AMP- und ADP-Spiegel im Allgemeinen niedrigere ATP-Spiegel bedeuten, und wenn ATP niedrig ist, ist der Impuls für das Auftreten der Glykolyse hoch.

Pyruvatkinase wird auch durch Fructose-1,6-bisphosphat aktiviert, was sinnvoll ist, da zu viel FBP impliziert dass sich stromaufwärts ein Glykolyse-Zwischenprodukt ansammelt und die Dinge am hinteren Ende des Prozess. Fructose-2,6-bisphosphat ist auch ein Aktivator von PFK.

Hexokinase wird, wie erwähnt, durch G6P gehemmt. PFK und Pyruvatkinase werden beide durch die Anwesenheit von ATP gehemmt, und zwar aus dem gleichen Grund, warum sie durch AMP und ADP aktiviert werden: Der Energiezustand der Zelle begünstigt eine Abnahme der Glykolyserate.

PFK wird auch gehemmt durch Zitrat, eine Komponente des Krebs-Zyklus, die stromabwärts bei der aeroben Atmung auftritt. Pyruvatkinase wird gehemmt durch Acetyl-CoA, das ist das Molekül, in das Pyruvat nach dem Ende der Glykolyse und vor dem Krebs-Zyklus umgewandelt wird beginnt (tatsächlich verbindet sich Acetyl-CoA mit Oxalacetat im ersten Schritt des Zyklus, um Zitrat). Schließlich hemmt die Aminosäure Alanin auch die Pyruvatkinase.

Sie könnten erwarten, dass neben G6P auch andere Glykolyseprodukte Hexokinase hemmen, da ihre Anwesenheit in signifikanten Mengen auf einen verringerten Bedarf an G6P hindeutet. Allerdings hemmt nur G6P selbst die Hexokinase. Warum ist das?

Der Grund ist ziemlich einfach: G6P wird für andere Reaktionswege als die Glykolyse benötigt, einschließlich des Pentosephosphat-Shunts und Glykogensynthese. Wenn daher andere nachgeschaltete Moleküle als G6P die Hexokinase von ihrer Arbeit abhalten könnten, könnten diese anderen Reaktionswege würde sich auch verlangsamen, weil die G6P nicht in den Prozess einsteigt, und würde daher eine Art Kollateralschaden darstellen.